JP7820599B2 - Nonaqueous electrolyte for lithium secondary battery and lithium secondary battery containing same - Google Patents
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Description
本出願は、2021年10月5日に出願された韓国特許出願第10-2021-0131937号と2022年9月13日に出願された韓国特許出願第10-2022-0115214号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示された全ての内容は、本明細書の一部として組み込まれる。 This application claims the benefit of priority based on Korean Patent Application No. 10-2021-0131937, filed on October 5, 2021, and Korean Patent Application No. 10-2022-0115214, filed on September 13, 2022, and all contents disclosed in the documents of said Korean patent applications are incorporated herein by reference.
本発明は、リチウム二次電池用非水電解液およびそれを含むリチウム二次電池に関する。 The present invention relates to a nonaqueous electrolyte for a lithium secondary battery and a lithium secondary battery containing the same.
リチウム二次電池は、一般に、リチウムを含有している遷移金属酸化物からなる正極活物質を含む正極と、リチウムイオンを貯蔵可能な負極活物質を含む負極との間にセパレータを介在して電極組立体を形成し、前記電極組立体を電池ケースに挿入した後、リチウムイオンを伝達する媒体となる非水電解液を注入してから密封する方法により製造される。 Lithium secondary batteries are generally manufactured by forming an electrode assembly by interposing a separator between a positive electrode containing a positive electrode active material made of a lithium-containing transition metal oxide and a negative electrode containing a negative electrode active material capable of storing lithium ions. The electrode assembly is then inserted into a battery case, which is then filled with a non-aqueous electrolyte solution that acts as a medium for transferring lithium ions, and sealed.
リチウム二次電池は、小型化が可能であり、エネルギー密度および使用電圧が高いため、モバイル機器、電子製品、電気自動車などの多様な分野に適用されている。リチウム二次電池の適用分野が多様化するに伴い、求められる物性条件も益々高くなっており、特に、高電圧、高温条件でも安定して駆動されることができ、長寿命特性を有するリチウム二次電池の開発が求められている。 Lithium secondary batteries can be miniaturized and have high energy density and operating voltage, making them applicable in a variety of fields, including mobile devices, electronic products, and electric vehicles. As the range of applications for lithium secondary batteries becomes more diverse, the physical properties required of them are also becoming increasingly strict. In particular, there is a demand for the development of lithium secondary batteries that can operate stably even under high voltage and high temperature conditions and have long life characteristics.
一方、高電圧および/または高温条件でリチウム二次電池が駆動される場合、電解液に含まれているLiPF6などのリチウム塩からPF6 -アニオンが熱分解され、PF5などのルイス酸を発生させることがあり、これは、水分と反応してHFを生成させる。かかるPF5、HFなどの分解産物は、電極の表面に形成されている被膜を破壊する恐れがあるだけでなく、有機溶媒の分解反応を起こす恐れがある。また、電解液分解産物が正極活物質の分解産物と反応して遷移金属イオンを溶出させ、溶出された遷移金属イオンが負極に電着されて、負極の表面に形成されている被膜を破壊する恐れがある。 On the other hand, when a lithium secondary battery is operated under high voltage and/or high temperature conditions, PF 6 - anions from lithium salts such as LiPF 6 contained in the electrolyte may thermally decompose to generate Lewis acids such as PF 5 , which react with moisture to generate HF. Such decomposition products such as PF 5 and HF may not only destroy the coating formed on the surface of the electrode, but may also cause a decomposition reaction of the organic solvent. Furthermore, the electrolyte decomposition products may react with the decomposition products of the positive electrode active material to elute transition metal ions, and the eluted transition metal ions may be electrodeposited on the negative electrode, destroying the coating formed on the surface of the negative electrode.
このように破壊された被膜上で電解質の分解反応が持続されると電池の性能がさらに低下するため、高電圧、高温条件でも優れた性能を維持することができる二次電池の開発が求められている。 If the electrolyte decomposition reaction continues on such a destroyed coating, battery performance will further deteriorate, so there is a need to develop secondary batteries that can maintain excellent performance even under high voltage and high temperature conditions.
本発明は、上記の問題を解決するためのものであって、クマリンにプロパルギル基が結合した構造の化合物を含むことで、電解質の分解反応を抑え、電極上に強化された被膜を形成することができる非水電解液、およびそれを含むリチウム二次電池を提供することを課題とする。 The present invention aims to solve the above problems by providing a non-aqueous electrolyte solution containing a compound with a structure in which a propargyl group is bonded to coumarin, which suppresses electrolyte decomposition reactions and enables the formation of a reinforced coating on the electrode, as well as a lithium secondary battery containing the same.
一実施形態によると、本発明は、リチウム塩と、有機溶媒と、下記化学式1で表される化合物と、を含む、リチウム二次電池用非水電解液を提供する。 In one embodiment, the present invention provides a nonaqueous electrolyte solution for a lithium secondary battery, comprising a lithium salt, an organic solvent, and a compound represented by the following chemical formula 1:
前記化学式1中、
R1は、炭素数1~10のアルキル基であり、
R2は、炭素数1~10のアルキレン基であり、
Lは、直接結合、-O-、-COO-、-RO-、または-R’COO-であり、
前記RおよびR’は、それぞれ独立して、炭素数1~10のアルキレン基であり、
mは、0~5の何れか1つの整数である。
In the above Chemical Formula 1,
R1 is an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms,
R2 is an alkylene group having 1 to 10 carbon atoms,
L is a direct bond, —O—, —COO—, —RO—, or —R′COO—;
R and R' each independently represent an alkylene group having 1 to 10 carbon atoms,
m is an integer of 0 to 5.
他の実施形態によると、本発明は、正極活物質を含む正極と、負極活物質を含む負極と、前記正極と前記負極との間に介在されるセパレータと、前記リチウム二次電池用非水電解液と、を含む、リチウム二次電池を提供する。 In another embodiment, the present invention provides a lithium secondary battery comprising: a positive electrode containing a positive electrode active material; a negative electrode containing a negative electrode active material; a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode; and a nonaqueous electrolyte solution for the lithium secondary battery.
本発明に係る非水電解液は、クマリン構造により、正極における活性酸素と反応して正極の分解を効果的に抑え、負極の表面に被膜を形成するのに有利なプロパルギル基が結合した構造の化合物を含むため、電極上に耐久性の高い被膜を形成できるだけでなく、電解質の分解反応を抑え、高ニッケルの正極活物質を含む電池のガス発生率を低減することができる。また、これにより、根本的に電気化学的特性が改善されたリチウム二次電池を提供することができる。 The nonaqueous electrolyte solution of the present invention contains a compound with a coumarin structure that reacts with active oxygen at the positive electrode to effectively suppress positive electrode decomposition, and a structure in which a propargyl group is bonded, which is advantageous for forming a coating on the surface of the negative electrode. This not only enables the formation of a highly durable coating on the electrode, but also suppresses the electrolyte decomposition reaction and reduces the gas generation rate in batteries containing high-nickel positive electrode active materials. This also makes it possible to provide a lithium secondary battery with fundamentally improved electrochemical characteristics.
以下、本発明をより詳細に説明する。 The present invention is described in more detail below.
一般に、リチウム二次電池用電解液に広く用いられるLiPF6などのリチウム塩に含まれているアニオンは、熱分解または水分などにより、フッ化水素(HF)とPF5のような分解産物を形成することになる。かかる分解産物は酸(acid)の性質を有しており、電池内で被膜もしくは電極の表面を劣化させる。 Generally, anions contained in lithium salts such as LiPF6 , which are widely used in electrolytes for lithium secondary batteries, form decomposition products such as hydrogen fluoride (HF) and PF5 due to thermal decomposition or moisture. These decomposition products have acid properties and deteriorate the coating or electrode surface in the battery.
電解液の分解産物と、繰り返される充放電による正極の構造変化などにより、正極中の遷移金属が電解液の内部に溶出されやすく、溶出された遷移金属は正極にさらに再蒸着(Re-deposition)して正極の抵抗を増加させる。さらに、溶出された遷移金属が電解液を介して負極に移動する場合、負極に電着され、SEI(solid electrolyte interphase)膜の破壊、およびさらなる電解質分解反応の原因となり、これにより、リチウムイオンの消費および抵抗が増加するなどの問題が発生する。 Transition metals in the positive electrode are easily eluted into the electrolyte due to decomposition products of the electrolyte and structural changes in the positive electrode caused by repeated charging and discharging. The eluted transition metals are then redeposited on the positive electrode, increasing the resistance of the positive electrode. Furthermore, if the eluted transition metals migrate to the negative electrode via the electrolyte, they are electrodeposited on the negative electrode, causing destruction of the solid electrolyte interphase (SEI) film and further electrolyte decomposition reactions, resulting in problems such as increased lithium ion consumption and resistance.
また、電池の初期活性化時に、電解液反応により正極および負極に保護被膜が形成されるが、被膜が上記の理由から不安定になる場合、充放電もしくは高温露出時にさらなる電解液の分解が起こり、電池の劣化を促進し、ガスを発生させる。 Furthermore, during initial activation of the battery, a protective coating is formed on the positive and negative electrodes due to electrolyte reactions. However, if the coating becomes unstable for the reasons mentioned above, further decomposition of the electrolyte occurs during charging/discharging or exposure to high temperatures, accelerating battery degradation and generating gas.
特に、ニッケルの含量が高い正極活物質を含む電池は、初期容量特性は改善されるが、充放電が繰り返される場合には、副反応によりリチウム副産物およびガス発生量が増加し、電解液の分解反応が激しくなる恐れがある。 In particular, batteries containing positive electrode active materials with a high nickel content have improved initial capacity characteristics, but repeated charging and discharging can lead to increased lithium by-products and gas generation due to side reactions, which can intensify the decomposition reaction of the electrolyte.
かかる問題を解決するために、本発明者らは、クマリン(Coumarin)にプロパルギル(Propargyl)基が結合した構造の、下記化学式1で表される化合物を非水電解液に含ませることで、電解液の分解反応を減少させ、遷移金属の溶出およびガスの発生を抑制できることを見出した。特に、本発明に係る非水電解液を含む場合、高ニッケル(High-Ni)の正極活物質を含む電池の初期容量だけでなく、高温貯蔵およびサイクルの進行による耐久性を改善する効果があることを確認した。 To solve this problem, the inventors discovered that adding a compound represented by the following chemical formula 1, which has a structure in which a propargyl group is bonded to coumarin, to a non-aqueous electrolyte reduces the decomposition reaction of the electrolyte and suppresses the elution of transition metals and the generation of gas. In particular, they confirmed that the inclusion of the non-aqueous electrolyte according to the present invention not only improves the initial capacity of batteries containing high-nickel (High-Ni) positive electrode active materials, but also improves their durability during high-temperature storage and cycling.
以下では、本発明を成す各構成についてより詳細に説明する。 The following describes each component of the present invention in more detail.
非水電解液
本発明は、リチウム塩と、有機溶媒と、化学式1で表される化合物と、を含むリチウム二次電池用非水電解液を提供する。
Nonaqueous Electrolyte The present invention provides a nonaqueous electrolyte for a lithium secondary battery, comprising a lithium salt, an organic solvent, and a compound represented by Chemical Formula 1.
以下、各成分について具体的に説明する。 Each ingredient is explained in detail below.
(1)化学式1で表される化合物
本発明の非水電解液は、下記化学式1で表される化合物を含む。
(1) Compound Represented by Chemical Formula 1 The nonaqueous electrolyte solution of the present invention contains a compound represented by the following Chemical Formula 1.
前記化学式1中、
R1は、炭素数1~10のアルキル基であり、
R2は、炭素数1~10のアルキレン基であり、
Lは、直接結合、-O-、-COO-、-RO-、または-R’COO-であり、
前記RおよびR’は、それぞれ独立して、炭素数1~10のアルキレン基であり、
mは、0~5の何れか1つの整数である。
In the above Chemical Formula 1,
R1 is an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms,
R2 is an alkylene group having 1 to 10 carbon atoms,
L is a direct bond, —O—, —COO—, —RO—, or —R′COO—;
R and R' each independently represent an alkylene group having 1 to 10 carbon atoms,
m is an integer of 0 to 5.
リチウム二次電池の充放電が持続されると、正極では一重項酸素(singlet oxygen)、スーパーオキシド(superoxide)などの活性酸素が生成されるが、これは、電池の性能を低下させる原因となる。前記化学式1で表される化合物に含まれたクマリンは、活性酸素に対する反応性が、エチレンカーボネートなどの電解液溶媒よりも高いため、電解液溶媒よりも先に活性酸素と反応することで、活性酸素による電解液の分解を抑えることができる。また、前記化学式1で表される化合物は、還元が容易なプロパルギル官能基を含んでいるため、負極の表面で還元分解されながら耐久性が強化された不動態皮膜を形成することができる。すなわち、正極および負極と電解質との界面に安定な被膜を形成することができるため、高ニッケルの正極活物質を用いても、副反応を抑制して安定性を確保することができるので、リチウム二次電池の初期性能だけでなく、高温耐久性および長期寿命を効果的に改善することができる。 As lithium secondary batteries continue to be charged and discharged, active oxygen such as singlet oxygen and superoxide is generated at the positive electrode, which can degrade battery performance. The coumarin contained in the compound represented by Chemical Formula 1 has a higher reactivity to active oxygen than electrolyte solvents such as ethylene carbonate. Therefore, it reacts with active oxygen before the electrolyte solvent does, thereby suppressing decomposition of the electrolyte caused by active oxygen. Furthermore, the compound represented by Chemical Formula 1 contains a propargyl functional group, which is easily reduced, and thus can form a durable passive film on the surface of the negative electrode as it is reductively decomposed. In other words, because it can form a stable film at the interface between the positive and negative electrodes and the electrolyte, it can suppress side reactions and ensure stability even when using a high-nickel positive electrode active material. This effectively improves not only the initial performance of lithium secondary batteries, but also their high-temperature durability and long-term life.
本発明の一実施態様において、前記化学式1で表される化合物は、下記化学式1-1で表される化合物および下記化学式2-1で表される化合物からなる群から選択される少なくとも1種を含んでもよい。 In one embodiment of the present invention, the compound represented by Chemical Formula 1 may include at least one compound selected from the group consisting of compounds represented by the following Chemical Formula 1-1 and compounds represented by the following Chemical Formula 2-1.
前記化学式1-1および前記化学式2-1中、
R1、R2、L、およびmは、前記化学式1での定義のとおりである。
In the chemical formula 1-1 and the chemical formula 2-1,
R1, R2, L, and m are as defined in Chemical Formula 1 above.
好ましくは、前記化学式1で表される化合物は、前記化学式1-1で表される化合物を含んでもよい。前記化学式1-1のようにプロパルギル基が3位に置換される場合、3,4位のラジカル(radical)を安定化させ、反応性を増加させる効果があるため好ましい。 Preferably, the compound represented by Chemical Formula 1 may include a compound represented by Chemical Formula 1-1. When a propargyl group is substituted at the 3-position as in Chemical Formula 1-1, this is preferred because it has the effect of stabilizing radicals at the 3- and 4-positions and increasing reactivity.
本発明の一実施態様において、前記化学式1のLは、-O-または-COO-であってもよい。 In one embodiment of the present invention, L in Chemical Formula 1 may be -O- or -COO-.
本発明の一実施態様において、前記化学式1で表される化合物は、下記化学式1-2で表される化合物、下記化学式1-3で表される化合物、下記化学式2-2で表される化合物、および下記化学式2-3で表される化合物からなる群から選択される少なくとも1種を含んでもよい。好ましくは、前記化学式1で表される化合物は、下記化学式1-2で表される化合物および下記化学式1-3で表される化合物からなる群から選択される少なくとも1種を含んでもよい。 In one embodiment of the present invention, the compound represented by Chemical Formula 1 may include at least one selected from the group consisting of compounds represented by Chemical Formula 1-2 below, compounds represented by Chemical Formula 1-3 below, compounds represented by Chemical Formula 2-2 below, and compounds represented by Chemical Formula 2-3 below. Preferably, the compound represented by Chemical Formula 1 may include at least one selected from the group consisting of compounds represented by Chemical Formula 1-2 below and compounds represented by Chemical Formula 1-3 below.
前記化学式1-2、前記化学式1-3、前記化学式2-2、および前記化学式2-3中、
R1、R2、およびmは、前記化学式1での定義のとおりである。本発明の一実施態様において、前記化学式1のmは0であってもよく、前記R2は、炭素数1~5のアルキレン基、好ましくは、炭素数1~3のアルキレン基、より好ましくはメチレン基であってもよい。
In the chemical formula 1-2, the chemical formula 1-3, the chemical formula 2-2, and the chemical formula 2-3,
R1, R2, and m are as defined in Chemical Formula 1. In one embodiment of the present invention, m in Chemical Formula 1 may be 0, and R2 may be an alkylene group having 1 to 5 carbon atoms, preferably an alkylene group having 1 to 3 carbon atoms, and more preferably a methylene group.
本発明の一実施態様において、前記化学式1で表される化合物は、下記化学式1Aで表される化合物、下記化学式1Bで表される化合物、下記化学式2Aで表される化合物、および下記化学式2Bで表される化合物からなる群から選択される少なくとも1種を含んでもよい。好ましくは、前記化学式1で表される化合物は、下記化学式1Aで表される化合物および下記化学式1Bで表される化合物からなる群から選択される少なくとも1種を含んでもよい。 In one embodiment of the present invention, the compound represented by Chemical Formula 1 may include at least one selected from the group consisting of a compound represented by Chemical Formula 1A below, a compound represented by Chemical Formula 1B below, a compound represented by Chemical Formula 2A below, and a compound represented by Chemical Formula 2B below. Preferably, the compound represented by Chemical Formula 1 may include at least one selected from the group consisting of a compound represented by Chemical Formula 1A below and a compound represented by Chemical Formula 1B below.
本発明の一実施態様において、前記化学式1で表される化合物の含量は、前記非水電解液の全重量を基準として、0.1重量%~5重量%、好ましくは0.1重量%~1重量%、より好ましくは0.2重量%~0.8重量%であってもよい。 In one embodiment of the present invention, the content of the compound represented by Chemical Formula 1 may be 0.1 wt % to 5 wt %, preferably 0.1 wt % to 1 wt %, and more preferably 0.2 wt % to 0.8 wt %, based on the total weight of the non-aqueous electrolyte.
前記化学式1で表される化合物の含量が0.1重量%以上である場合、本発明で得ようとする、正極中の金属イオンの分解を抑える効果が得られる点から好ましく、5重量%以下である場合、抵抗の増加により電池性能が低下することを防止することができるため好ましい。 When the content of the compound represented by Chemical Formula 1 is 0.1% by weight or more, it is preferable because it can achieve the effect of suppressing the decomposition of metal ions in the positive electrode that is the objective of the present invention. When the content is 5% by weight or less, it is preferable because it can prevent a decrease in battery performance due to an increase in resistance.
(2)添加剤
本発明の非水電解液は、高電圧環境で電解液が分解されて電極の崩壊が引き起こされることを防止するか、低温高率放電特性、高温安定性、過充電防止、高温での電池膨張抑制の効果などをさらに向上させるために、必要に応じて、下記の添加剤を選択的にさらに含んでもよい。
(2) Additives The nonaqueous electrolyte of the present invention may optionally further contain the following additives, as needed, to prevent the electrolyte from being decomposed in a high-voltage environment, which may cause electrode collapse, or to further improve low-temperature high-rate discharge characteristics, high-temperature stability, overcharge prevention, and the effects of suppressing battery expansion at high temperatures.
前記添加剤は、環状カーボネート系化合物、ハロゲン置換のカーボネート系化合物、スルトン系化合物、サルフェート系化合物、ホスフェート系またはホスファイト系化合物、ボレート系化合物、ニトリル系化合物、アミン系化合物、シラン系化合物、ベンゼン系化合物、およびリチウム塩系化合物から選択される1種以上であってもよい。 The additive may be one or more compounds selected from cyclic carbonate compounds, halogen-substituted carbonate compounds, sultone compounds, sulfate compounds, phosphate or phosphite compounds, borate compounds, nitrile compounds, amine compounds, silane compounds, benzene compounds, and lithium salt compounds.
前記環状カーボネート系化合物は、ビニレンカーボネート(VC)およびビニルエチレンカーボネート(VEC)から選択される1種以上であってもよく、具体的に、ビニレンカーボネートであってもよい。 The cyclic carbonate compound may be one or more compounds selected from vinylene carbonate (VC) and vinyl ethylene carbonate (VEC), and specifically may be vinylene carbonate.
前記ハロゲン置換のカーボネート系化合物は、フルオロエチレンカーボネート(FEC)であってもよい。 The halogen-substituted carbonate compound may be fluoroethylene carbonate (FEC).
前記スルトン系化合物は、負極の表面で還元反応による安定なSEI膜を形成することができる物質であって、1,3-プロパンスルトン(PS)、1,4-ブタンスルトン、エテンスルトン、1,3-プロペンスルトン(PRS)、1,4-ブテンスルトン、および1-メチル-1,3-プロペンスルトンから選択される1種以上の化合物であってもよく、具体的に、1,3-プロパンスルトン(PS)であってもよい。 The sultone-based compound is a material capable of forming a stable SEI film on the surface of the negative electrode through a reduction reaction, and may be one or more compounds selected from 1,3-propane sultone (PS), 1,4-butane sultone, ethene sultone, 1,3-propene sultone (PRS), 1,4-butene sultone, and 1-methyl-1,3-propene sultone, and specifically 1,3-propane sultone (PS).
前記サルフェート系化合物は、負極の表面で電気的に分解され、高温貯蔵時にもクラックが生じない安定なSEI膜を形成することができる物質であって、エチレンサルフェート(Ethylene Sulfate;Esa)、トリメチレンサルフェート(Trimethylene sulfate;TMS)、またはメチルトリメチレンサルフェート(Methyl trimethylene sulfate;MTMS)から選択される1種以上であってもよい。 The sulfate-based compound is a material that can be electrically decomposed on the surface of the negative electrode to form a stable SEI film that does not crack even when stored at high temperatures, and may be one or more selected from ethylene sulfate (Esa), trimethylene sulfate (TMS), and methyl trimethylene sulfate (MTMS).
前記ホスフェート系またはホスファイト系化合物は、リチウムジフルオロ(ビスオキサラト)ホスフェート、リチウムジフルオロホスフェート、トリス(トリメチルシリル)ホスフェート、トリス(トリメチルシリル)ホスファイト、トリス(2,2,2-トリフルオロエチル)ホスフェート、およびトリス(トリフルオロエチル)ホスファイトから選択される1種以上であってもよい。 The phosphate or phosphite compound may be one or more selected from lithium difluoro(bisoxalato)phosphate, lithium difluorophosphate, tris(trimethylsilyl)phosphate, tris(trimethylsilyl)phosphite, tris(2,2,2-trifluoroethyl)phosphate, and tris(trifluoroethyl)phosphite.
前記ボレート系化合物は、リチウムテトラフェニルボレートであってもよい。 The borate-based compound may be lithium tetraphenylborate.
前記ニトリル系化合物は、スクシノニトリル(SN)、アジポニトリル(ADN)、アセトニトリル、プロピオニトリル、ブチロニトリル、バレロニトリル、カプリロニトリル、ヘプタンニトリル、シクロペンタンカルボニトリル、シクロヘキサンカルボニトリル、2-フルオロベンゾニトリル、4-フルオロベンゾニトリル、ジフルオロベンゾニトリル、トリフルオロベンゾニトリル、フェニルアセトニトリル、2-フルオロフェニルアセトニトリル、4-フルオロフェニルアセトニトリル、エチレングリコールビス(2-シアノエチル)エーテル(ASA3)、1,3,6-ヘキサントリカルボニトリル(HTCN)、1,4-ジシアノ2-ブテン(DCB)、および1,2,3-トリス(2-シアノエチル)プロパン(TCEP)から選択される1種以上であってもよい。 The nitrile compound may be one or more selected from succinonitrile (SN), adiponitrile (ADN), acetonitrile, propionitrile, butyronitrile, valeronitrile, caprylonitrile, heptanenitrile, cyclopentanecarbonitrile, cyclohexanecarbonitrile, 2-fluorobenzonitrile, 4-fluorobenzonitrile, difluorobenzonitrile, trifluorobenzonitrile, phenylacetonitrile, 2-fluorophenylacetonitrile, 4-fluorophenylacetonitrile, ethylene glycol bis(2-cyanoethyl)ether (ASA3), 1,3,6-hexanetricarbonitrile (HTCN), 1,4-dicyano-2-butene (DCB), and 1,2,3-tris(2-cyanoethyl)propane (TCEP).
前記アミン系化合物は、トリエタノールアミンおよびエチレンジアミンから選択される1種以上であってもよく、前記シラン系化合物はテトラビニルシランであってもよい。 The amine compound may be one or more selected from triethanolamine and ethylenediamine, and the silane compound may be tetravinylsilane.
前記ベンゼン系化合物は、モノフルオロベンゼン、ジフルオロベンゼン、トリフルオロベンゼン、およびテトラフルオロベンゼンから選択される1種以上であってもよい。 The benzene-based compound may be one or more selected from monofluorobenzene, difluorobenzene, trifluorobenzene, and tetrafluorobenzene.
前記リチウム塩系化合物は、前記非水電解液に含まれるリチウム塩と異なる化合物であり、リチウムジフルオロホスフェート(LiDFP;LiPO2F2)、リチウムビスオキサラトボレート(LiBOB;LiB(C2O4)2)、リチウムテトラフルオロボレート(LiBF4)、およびリチウムジフルオロ(ビスオキサラト)ホスフェート(LiDFOP)から選択される1種以上の化合物であってもよい。 The lithium salt-based compound is a compound different from the lithium salt contained in the non-aqueous electrolyte solution, and may be one or more compounds selected from lithium difluorophosphate (LiDFP; LiPO 2 F 2 ), lithium bisoxalatoborate (LiBOB; LiB(C 2 O 4 ) 2 ), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), and lithium difluoro(bisoxalato)phosphate (LiDFOP).
好ましくは、本発明の一実施態様に係る非水電解液は、ビニレンカーボネート(VC)、ビニルエチレンカーボネート(VEC)、フルオロエチレンカーボネート(FEC)、1,3-プロパンスルトン(PS)、1,3-プロペンスルトン(PRS)、エチレンサルフェート(ESa)、スクシノニトリル(SN)、アジポニトリル(ADN)、エチレングリコールビス(2-シアノエチル)エーテル(ASA3)、1,3,6-ヘキサントリカルボニトリル(HTCN)、1,4-ジシアノ2-ブテン(DCB)、1,2,3-トリス(2-シアノエチル)プロパン(TCEP)、リチウムジフルオロオキサラトボレート(LiODFB)、リチウムテトラフルオロボレート(LiBF4)、リチウムジフルオロ(ビスオキサラト)ホスフェート(LiDFOP)、およびリチウムジフルオロホスフェート(LiDFP)から選択される1種以上の添加剤をさらに含んでもよい。 Preferably, the non-aqueous electrolyte according to one embodiment of the present invention may further contain one or more additives selected from vinylene carbonate (VC), vinyl ethylene carbonate (VEC), fluoroethylene carbonate (FEC), 1,3-propane sultone (PS), 1,3-propene sultone (PRS), ethylene sulfate (ESa), succinonitrile (SN), adiponitrile (ADN), ethylene glycol bis(2-cyanoethyl)ether (ASA3), 1,3,6-hexanetricarbonitrile (HTCN), 1,4-dicyano-2-butene (DCB), 1,2,3-tris(2-cyanoethyl)propane (TCEP), lithium difluorooxalatoborate (LiODFB), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), lithium difluoro(bisoxalato)phosphate (LiDFOP), and lithium difluorophosphate (LiDFP).
より好ましくは、本発明の一実施態様に係る非水電解液は、ビニレンカーボネート(VC)、ビニルエチレンカーボネート(VEC)、1,3-プロパンスルトン(PS)、エチレンサルフェート(ESa)、リチウムジフルオロオキサラトボレート(LiODFB)、およびリチウムジフルオロホスフェート(LiDFP)から選択される1種以上の添加剤をさらに含んでもよい。 More preferably, the nonaqueous electrolyte according to one embodiment of the present invention may further contain one or more additives selected from vinylene carbonate (VC), vinyl ethylene carbonate (VEC), 1,3-propane sultone (PS), ethylene sulfate (ESa), lithium difluorooxalatoborate (LiODFB), and lithium difluorophosphate (LiDFP).
一方、前記添加剤の含量は、前記非水電解液の全重量を基準として、0.1重量%~10重量%であってもよく、好ましくは、0.3重量%~5重量%であってもよい。前記添加剤の含量が上記の範囲である場合、正極および負極への被膜形成による副反応抑制効果が得られる。 Meanwhile, the content of the additive may be 0.1 wt % to 10 wt % based on the total weight of the non-aqueous electrolyte, and preferably 0.3 wt % to 5 wt %. When the content of the additive is within the above range, the side reaction suppression effect due to the formation of a coating on the positive and negative electrodes can be obtained.
(3)有機溶媒
本発明の非水電解液は、有機溶媒を含む。
(3) Organic Solvent The nonaqueous electrolyte solution of the present invention contains an organic solvent.
前記有機溶媒としては、リチウム電解質に通常用いられる種々の有機溶媒が制限されずに使用できる。例えば、前記有機溶媒は、環状カーボネート系溶媒、直鎖状カーボネート系溶媒、直鎖状エステル系溶媒、環状エステル系溶媒、ニトリル系溶媒、またはこれらの混合物であってもよく、好ましくは、環状カーボネート系溶媒および直鎖状カーボネート系溶媒の混合物を含んでもよい。 The organic solvent can be any of the various organic solvents commonly used in lithium electrolytes, without limitation. For example, the organic solvent may be a cyclic carbonate solvent, a linear carbonate solvent, a linear ester solvent, a cyclic ester solvent, a nitrile solvent, or a mixture thereof. Preferably, the organic solvent may include a mixture of a cyclic carbonate solvent and a linear carbonate solvent.
前記環状カーボネート系溶媒は、高粘度の有機溶媒であって、誘電率が高いため電解質中のリチウム塩をよく解離させることができ、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、1,2-ブチレンカーボネート、2,3-ブチレンカーボネート、1,2-ペンチレンカーボネート、2,3-ペンチレンカーボネート、およびビニレンカーボネートからなる群から選択される1種以上であってもよく、好ましくは、エチレンカーボネート(EC)またはプロピレンカーボネート(PC)を含んでもよい。 The cyclic carbonate solvent is a highly viscous organic solvent with a high dielectric constant, which allows for effective dissociation of the lithium salt in the electrolyte. It may be one or more solvents selected from the group consisting of ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), 1,2-butylene carbonate, 2,3-butylene carbonate, 1,2-pentylene carbonate, 2,3-pentylene carbonate, and vinylene carbonate, and preferably contains ethylene carbonate (EC) or propylene carbonate (PC).
また、前記直鎖状カーボネート系溶媒は、低粘度および低誘電率を有する有機溶媒であって、ジメチルカーボネート(dimethyl carbonate、DMC)、ジエチルカーボネート(diethyl carbonate、DEC)、ジプロピルカーボネート、エチルメチルカーボネート(EMC)、メチルプロピルカーボネート、およびエチルプロピルカーボネートからなる群から選択される1種以上であってもよく、好ましくは、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジメチルカーボネート(DMC)、またはジエチルカーボネート(DEC)を含んでもよい。 The linear carbonate solvent is an organic solvent having low viscosity and low dielectric constant, and may be one or more selected from the group consisting of dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate, ethyl methyl carbonate (EMC), methyl propyl carbonate, and ethyl propyl carbonate, and preferably includes ethyl methyl carbonate (EMC), dimethyl carbonate (DMC), or diethyl carbonate (DEC).
前記有機溶媒は、高いイオン伝導率を有する電解液を製造するために、環状カーボネート系溶媒と直鎖状カーボネート系溶媒の混合物を用いることが好ましい。 In order to produce an electrolyte solution with high ionic conductivity, it is preferable to use a mixture of a cyclic carbonate solvent and a linear carbonate solvent as the organic solvent.
前記直鎖状エステル系溶媒は、メチルアセテート、エチルアセテート、プロピルアセテート、メチルプロピオネート、エチルプロピオネート、プロピルプロピオネート、およびブチルプロピオネートから選択される1種以上であってもよく、好ましくは、メチルプロピオネート、エチルプロピオネート、またはプロピルプロピオネートであってもよい。 The linear ester solvent may be one or more selected from methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, propyl propionate, and butyl propionate, and preferably methyl propionate, ethyl propionate, or propyl propionate.
前記環状エステル系溶媒は、γ-ブチロラクトン、γ-バレロラクトン、γ-カプロラクトン、σ-バレロラクトン、およびε-カプロラクトンから選択される1種以上であってもよい。 The cyclic ester solvent may be one or more selected from gamma-butyrolactone, gamma-valerolactone, gamma-caprolactone, sigma-valerolactone, and epsilon-caprolactone.
前記ニトリル系溶媒は、スクシノニトリル、アセトニトリル、プロピオニトリル、ブチロニトリル、バレロニトリル、カプリロニトリル、ヘプタンニトリル、シクロペンタンカルボニトリル、シクロヘキサンカルボニトリル、2-フルオロベンゾニトリル、4-フルオロベンゾニトリル、ジフルオロベンゾニトリル、トリフルオロベンゾニトリル、フェニルアセトニトリル、2-フルオロフェニルアセトニトリル、および4-フルオロフェニルアセトニトリルから選択される1種以上であってもよく、好ましくは、スクシノニトリルであってもよい。 The nitrile solvent may be one or more selected from succinonitrile, acetonitrile, propionitrile, butyronitrile, valeronitrile, caprylonitrile, heptanenitrile, cyclopentanecarbonitrile, cyclohexanecarbonitrile, 2-fluorobenzonitrile, 4-fluorobenzonitrile, difluorobenzonitrile, trifluorobenzonitrile, phenylacetonitrile, 2-fluorophenylacetonitrile, and 4-fluorophenylacetonitrile, and preferably succinonitrile.
前記非水電解液の全重量中において、有機溶媒を除いた他の構成成分、例えば、前記化学式1で表される化合物、添加剤、およびリチウム塩の含量を除いた残部は、別に断らない限り、全て有機溶媒である。 Unless otherwise specified, the remainder of the total weight of the nonaqueous electrolyte, excluding the organic solvent, other components, such as the compound represented by Chemical Formula 1, additives, and lithium salt, is the organic solvent.
(4)リチウム塩
本発明の非水電解液は、リチウム塩を含む。
(4) Lithium Salt The nonaqueous electrolyte solution of the present invention contains a lithium salt.
前記リチウム塩は、リチウム二次電池用電解液に通常用いられるものなどが制限されずに使用でき、具体的に、前記リチウム塩は、カチオンとしてLi+を含み、アニオンとして、F-、Cl-、Br-、I-、NO3 -、N(CN)2 -、BF4 -、ClO4 -、B10Cl10 -、AlCl4 -、AlO4 -、PF6 -、CF3SO3 -、CH3CO2 -、CF3CO2 -、AsF6 -、SbF6 -、CH3SO3 -、(CF3CF2SO2)2N-、(CF3SO2)2N-、(FSO2)2N-、BF2C2O4 -、BC4O8 -、BF2C2O4CHF-、PF4C2O4 -、PF2C4O8 -、PO2F2 -、(CF3)2PF4 -、(CF3)3PF3 -、(CF3)4PF2 -、(CF3)5PF-、(CF3)6P-、C4F9SO3 -、CF3CF2SO3 -、CF3CF2(CF3)2CO-、(CF3SO2)2CH-、CF3(CF2)7SO3 -、およびSCN-から選択される何れか1つ以上を含んでもよい。 The lithium salt may be any of those commonly used in electrolytes for lithium secondary batteries, and is not limited thereto. Specifically, the lithium salt may contain Li + as a cation and F − , Cl − , Br − , I − , NO 3 − , N(CN) 2 − , BF 4 − , ClO 4 − , B 10 Cl 10 − , AlCl 4 − , AlO 4 − , PF 6 − , CF 3 SO 3 − , CH 3 CO 2 − , CF 3 CO 2 − , AsF 6 − , SbF 6 − , CH 3 SO 3 − , (CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 N − , (CF 3 SO 2 ) 2 N − , (FSO 2 ) 2 N − , BF 2 C 2 O 4 − , BC 4 O 8 − , BF 2 C 2 O 4 CHF − , PF 4 C 2 O 4 − , PF 2 C 4 O 8 − , PO 2 F 2 − , (CF 3 ) 2 PF 4 - , (CF 3 ) 3 PF 3 - , (CF 3 ) 4 PF 2 - , (CF 3 ) 5 PF - , (CF 3 ) 6 P - , C 4 F 9 SO 3 - , CF 3 CF 2 SO 3 - , CF 3 CF 2 (CF 3 ) 2 CO - , (CF 3 SO 2 ) 2 CH − , CF 3 (CF 2 ) 7 SO 3 − , and SCN − may be included.
具体的に、前記リチウム塩は、LiPF6、LiClO4、LiBF4、LiN(FSO2)2(LiFSI)、LiN(SO2CF3)2(LiTFSI)、リチウムビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミド(Lithium bis(pentafluoroethanesulfonyl)imide、LiBETI)、LiSO3CF3、LiPO2F2、リチウムビス(オキサラト)ボレート(Lithium bis(oxalate)borate、LiBOB)、リチウムジフルオロ(オキサラト)ボレート(Lithium difluoro(oxalate)borate、LiFOB)、リチウムジフルオロ(ビスオキサラト)ホスフェート(Lithium difluoro(bisoxalato) phosphate、LiDFOP)、リチウムテトラフルオロ(オキサラト)ホスフェート(Lithium tetrafluoro(oxalate)phosphate、LiTFOP)、およびリチウムフルオロマロナト(ジフルオロ)ボレート(Lithium fluoromalonato(difluoro)borate、LiFMDFB)から選択される1種以上であってもよく、好ましくは、LiPF6であってもよい。 Specifically, the lithium salt may be LiPF 6 , LiClO 4 , LiBF 4 , LiN(FSO 2 ) 2 (LiFSI), LiN(SO 2 CF 3 ) 2 (LiTFSI), lithium bis(pentafluoroethanesulfonyl)imide (LiBETI), LiSO 3 CF 3 , LiPO 2 F 2 , lithium bis(oxalato)borate (LiBOB), lithium difluoro(oxalato)borate (Li The fluoroisotope may be one or more selected from lithium difluoro(oxalate)borate (LiFOB), lithium difluoro(bisoxalato)phosphate (LiDFOP), lithium tetrafluoro(oxalate)phosphate (LiTFOP), and lithium fluoromalonato(difluoro)borate (LiFMDFB), and preferably may be LiPF6 .
本発明の一実施態様において、前記リチウム塩および有機溶媒を含む非水性有機溶液中のリチウム塩の濃度は、0.5~4.0M、具体的に0.5M~3.0M、より具体的に0.8M~2.0Mであってもよい。リチウム塩の濃度が上記の範囲である場合、低温出力改善およびサイクル特性改善の効果を十分に確保するとともに、粘度および表面張力が過度に高くなることを防止し、適切な電解質含浸性が得られる。 In one embodiment of the present invention, the concentration of the lithium salt in the non-aqueous organic solution containing the lithium salt and an organic solvent may be 0.5 to 4.0 M, specifically 0.5 to 3.0 M, and more specifically 0.8 to 2.0 M. When the lithium salt concentration is within the above range, the effects of improving low-temperature output and cycle characteristics are sufficiently ensured, while excessive increases in viscosity and surface tension are prevented, and appropriate electrolyte impregnation is achieved.
リチウム二次電池
次に、本発明に係るリチウム二次電池について説明する。
Lithium Secondary Battery Next, the lithium secondary battery according to the present invention will be described.
本発明に係るリチウム二次電池は、正極活物質を含む正極と、負極活物質を含む負極と、前記正極と前記負極との間に介在されるセパレータと、非水電解液と、を含み、この際、前記非水電解液は上記の本発明に係る非水電解液である。非水電解液については上述のとおりであるため、これについての説明は省略し、以下では他の構成要素について説明する。 The lithium secondary battery according to the present invention includes a positive electrode containing a positive electrode active material, a negative electrode containing a negative electrode active material, a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, and a non-aqueous electrolyte solution, where the non-aqueous electrolyte solution is the non-aqueous electrolyte solution according to the present invention. As the non-aqueous electrolyte solution has been described above, a detailed description thereof will be omitted, and the following description will focus on the other components.
(1)正極
本発明に係る正極は正極活物質を含み、正極活物質、バインダー、導電材、および溶媒などを含む正極スラリーを正極集電体上にコーティングした後、乾燥および圧延することで製造することができる。
(1) Positive Electrode The positive electrode according to the present invention includes a positive electrode active material, and can be produced by coating a positive electrode current collector with a positive electrode slurry containing the positive electrode active material, a binder, a conductive material, a solvent, etc., followed by drying and rolling.
前記正極集電体としては、該電池に化学的変化を引き起こすことなく、且つ導電性を有するものであれば特に制限されず、例えば、ステンレス鋼;アルミニウム;ニッケル;チタン;焼成炭素;またはアルミニウムやステンレス鋼の表面に、カーボン、ニッケル、チタン、銀などで表面処理を施したものなどが用いられてもよい。 The positive electrode current collector is not particularly limited as long as it does not cause chemical changes in the battery and is conductive. For example, stainless steel; aluminum; nickel; titanium; baked carbon; or aluminum or stainless steel whose surface has been treated with carbon, nickel, titanium, silver, or the like may be used.
前記正極活物質は、リチウムの可逆的なインターカレーションおよびデインターカレーションが可能な化合物であって、具体的には、コバルト、マンガン、ニッケル、またはアルミニウムなどの1種以上の金属とリチウムを含むリチウム複合金属酸化物を含んでもよい。 The positive electrode active material is a compound capable of reversible intercalation and deintercalation of lithium, and may specifically include a lithium composite metal oxide containing lithium and one or more metals such as cobalt, manganese, nickel, or aluminum.
より具体的に、前記正極活物質は、リチウム-コバルト系酸化物(例えば、LiCoO2など)、リチウム-マンガン系酸化物(例えば、LiMnO2、LiMn2O4など)、リチウム-ニッケル系酸化物(例えば、LiNiO2など)、リチウム-ニッケル-マンガン系酸化物(例えば、LiNi1-YMnYO2(ここで、0<Y<1)、LiMn2-zNizO4(ここで、0<Z<2)など)、リチウム-ニッケル-コバルト系酸化物(例えば、LiNi1-Y1CoY1O2(ここで、0<Y1<1)など)、リチウム-マンガン-コバルト系酸化物(例えば、LiCo1-Y2MnY2O2(ここで、0<Y2<1)、LiMn2-z1Coz1O4(ここで、0<Z1<2)など)、リチウム-ニッケル-マンガン-コバルト系酸化物(例えば、Li(NipCoqMnr1)O2(ここで、0<p<1、0<q<1、0<r1<1、p+q+r1=1)およびLi(Nip1Coq1Mnr2)O4(ここで、0<p1<2、0<q1<2、0<r2<2、p1+q1+r2=2)など)、リチウム-ニッケル-コバルト-遷移金属(M)酸化物(例えば、Li(Nip2Coq2Mnr3Ms2)O2(ここで、Mは、Al、Fe、V、Cr、Ti、Ta、Mg、Ti、およびMoからなる群から選択され、p2、q2、r3、およびs2は、それぞれ独立の元素の原子分率であって、0<p2<1、0<q2<1、0<r3<1、0<s2<1、p2+q2+r3+s2=1である))のうち1つ以上を含んでもよい。中でも、電池の容量特性および安定性を高めることができる点から、前記正極活物質は、リチウム-コバルト酸化物、リチウム-マンガン系酸化物、リチウム-ニッケル-マンガン-コバルト系酸化物、およびリチウム-ニッケル-コバルト-遷移金属(M)酸化物からなる群から選択される少なくとも1種を含んでもよく、好ましくは、ニッケルの含有量が55atm%以上のリチウム-ニッケル-マンガン-コバルト系酸化物、およびニッケルの含有量が55atm%以上のリチウム-ニッケル-コバルト-遷移金属(M)酸化物から選択される少なくとも1種を含んでもよい。 More specifically, the positive electrode active material may be a lithium-cobalt-based oxide (e.g., LiCoO 2 ), a lithium-manganese-based oxide (e.g., LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 ), a lithium-nickel-based oxide (e.g., LiNiO 2 ), a lithium-nickel-manganese-based oxide (e.g., LiNi 1-Y Mn Y O 2 (where 0<Y<1), LiMn 2-z Ni z O 4 (where 0<Z<2)), a lithium-nickel-cobalt-based oxide (e.g., LiNi 1-Y1 Co Y1 O 2 (where 0<Y1<1)), a lithium-manganese-cobalt-based oxide (e.g., LiCo 1-Y2 Mn Y2 O 2 (where 0<Y2<1), LiMn 2-z1 Co z1 O 4 (where 0<Z1<2)), lithium-nickel-manganese-cobalt-based oxides (e.g., Li(Ni p Co q Mn r1 )O 2 (where 0<p<1, 0<q<1, 0<r1<1, p+q+r1=1) and Li(Ni p1 Co q1 Mn r2 )O 4 (where 0<p1<2, 0<q1<2, 0<r2<2, p1+q1+r2=2)), lithium-nickel-cobalt-transition metal (M) oxides (e.g., Li(Ni p2 Co q2 Mn r3 M s2 )O 2 (wherein M is selected from the group consisting of Al, Fe, V, Cr, Ti, Ta, Mg, Ti, and Mo; and p2, q2, r3, and s2 are each atomic fractions of independent elements, satisfying the following conditions: 0<p2<1, 0<q2<1, 0<r3<1, 0<s2<1, and p2+q2+r3+s2=1). In particular, from the viewpoint of enhancing the capacity characteristics and stability of the battery, the positive electrode active material may include at least one selected from the group consisting of lithium-cobalt oxide, lithium-manganese oxide, lithium-nickel-manganese-cobalt oxide, and lithium-nickel-cobalt-transition metal (M) oxide, and preferably includes at least one selected from lithium-nickel-manganese-cobalt oxide having a nickel content of 55 atomic % or more and lithium-nickel-cobalt-transition metal (M) oxide having a nickel content of 55 atomic % or more.
その代表例として、Li(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O2、Li(Ni0.6Mn0.2Co0.2)O2、Li(Ni0.5Mn0.3Co0.2)O2、Li(Ni0.7Mn0.15Co0.15)O2、Li(Ni0.8Mn0.1Co0.1)O2、およびLi(Ni0.86Co0.05Mn0.07Al0.02)O2からなる群から選択される少なくとも1種が挙げられ、好ましくは、Li(Ni0.86Co0.057Mn0.07Al0.02)O2を含んでもよい。 Representative examples thereof include at least one selected from the group consisting of Li ( Ni1 /3Mn1 / 3Co1/ 3 ) O2 , Li( Ni0.6Mn0.2Co0.2 ) O2 , Li( Ni0.5Mn0.3Co0.2 )O2, Li( Ni0.7Mn0.15Co0.15 ) O2 , Li( Ni0.8Mn0.1Co0.1 ) O2 , and Li ( Ni0.86Co0.05Mn0.07Al0.02 ) O2 , and preferably Li ( Ni0.86Co0.057Mn0.07Al0.02 ) O2 . 2 may be included.
また、本発明の一実施態様に係る正極活物質は、下記化学式3で表されるリチウム複合遷移金属酸化物を含んでもよい。 Furthermore, the positive electrode active material according to one embodiment of the present invention may contain a lithium composite transition metal oxide represented by the following chemical formula 3:
[化学式3]
Li1+x(NiaCobMncMd)O2
[Chemical formula 3]
Li 1+x ( Nia Co b Mn c M d ) O 2
前記化学式3中、
Mは、W、Cu、Fe、V、Cr、Ti、Zr、Zn、Al、In、Ta、Y、La、Sr、Ga、Sc、Gd、Sm、Ca、Ce、Nb、Mg、B、およびMoから選択される1種以上であり、
1+x、a、b、c、およびdは、それぞれ独立の元素の原子分率であって、具体的に、それぞれLi、Ni、Co、Mn、およびMの原子分率であり、
0≦x≦0.2、0.50≦a<1、0<b≦0.25、0<c≦0.25、0≦d≦0.1、a+b+c+d=1である。
In the above Chemical Formula 3,
M is one or more selected from W, Cu, Fe, V, Cr, Ti, Zr, Zn, Al, In, Ta, Y, La, Sr, Ga, Sc, Gd, Sm, Ca, Ce, Nb, Mg, B, and Mo;
1+x, a, b, c, and d are each the atomic fractions of independent elements, specifically the atomic fractions of Li, Ni, Co, Mn, and M, respectively;
0≦x≦0.2, 0.50≦a<1, 0<b≦0.25, 0<c≦0.25, 0≦d≦0.1, and a+b+c+d=1.
好ましくは、前記a、b、c、およびdは、それぞれ、0.70≦a≦0.95、0.025≦b≦0.20、0.025≦c≦0.20、0≦d≦0.05であってもよい。 Preferably, a, b, c, and d may be in the ranges 0.70≦a≦0.95, 0.025≦b≦0.20, 0.025≦c≦0.20, and 0≦d≦0.05, respectively.
また、前記a、b、c、およびdは、それぞれ、0.80≦a≦0.95、0.025≦b≦0.15、0.025≦c≦0.15、0≦d≦0.05であってもよい。 Furthermore, a, b, c, and d may be in the ranges 0.80≦a≦0.95, 0.025≦b≦0.15, 0.025≦c≦0.15, and 0≦d≦0.05, respectively.
また、前記a、b、c、およびdは、それぞれ、0.85≦a≦0.90、0.05≦b≦0.10、0.05≦c≦0.10、0≦d≦0.03であってもよい。 Furthermore, a, b, c, and d may be in the ranges 0.85≦a≦0.90, 0.05≦b≦0.10, 0.05≦c≦0.10, and 0≦d≦0.03, respectively.
前記正極活物質は、正極スラリー中の固形分の全重量を基準として80重量%~99重量%、具体的には90重量%~99重量%で含まれてもよい。ここで、前記正極活物質の含量が80重量%以下である場合には、エネルギー密度が低くなって容量が低下する恐れがある。 The positive electrode active material may be contained in an amount of 80% to 99% by weight, specifically 90% to 99% by weight, based on the total weight of the solids in the positive electrode slurry. If the content of the positive electrode active material is less than 80% by weight, the energy density may be low, resulting in a decrease in capacity.
前記バインダーは、活物質と導電材などの結合、および集電体への結合を補助する成分であって、通常、正極スラリー中の固形分の全重量を基準として、1重量%~30重量%の含量で添加されてもよい。かかるバインダーの例としては、ポリビニリデンフルオライド、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース(CMC)、澱粉、ヒドロキシプロピルセルロース、再生セルロース、ポリビニルピロリドン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン-プロピレン-ジエンモノマー、スルホン化エチレン-プロピレン-ジエンモノマー、スチレン-ブタジエンゴム、フッ素ゴム、またはこれらの種々の共重合体であってもよい。 The binder is a component that aids in binding the active material and conductive material, and in binding them to the current collector, and is typically added in an amount of 1 to 30% by weight based on the total weight of the solids in the positive electrode slurry. Examples of such binders include polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose (CMC), starch, hydroxypropyl cellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, polytetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene monomer, sulfonated ethylene-propylene-diene monomer, styrene-butadiene rubber, fluororubber, or various copolymers thereof.
また、前記導電材は、該電池に化学的変化を引き起こすことなく、且つ導電性を付与する物質であって、正極スラリー中の固形分の全重量を基準として、0.5重量%~20重量%で添加されてもよい。 The conductive material is a substance that provides conductivity without causing any chemical changes to the battery, and may be added in an amount of 0.5% to 20% by weight based on the total weight of solids in the positive electrode slurry.
前記導電材の例としては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、およびサーマルブラックなどのカーボンブラック;天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンナノチューブおよびグラファイトなどの黒鉛粉末;炭素繊維および金属繊維などの導電性繊維;フッ化カーボン粉末、アルミニウム粉末、およびニッケル粉末などの導電性粉末;酸化亜鉛およびチタン酸カリウムなどの導電性ウィスカー;酸化チタンなどの導電性金属酸化物;およびポリフェニレン誘導体などの導電性素材から選択されてもよい。 Examples of the conductive material may be selected from the following conductive materials: carbon blacks such as acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and thermal black; graphite powders such as natural graphite, artificial graphite, carbon nanotubes, and graphite; conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; conductive powders such as carbon fluoride powder, aluminum powder, and nickel powder; conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate; conductive metal oxides such as titanium oxide; and conductive materials such as polyphenylene derivatives.
また、前記正極スラリーの溶媒は、NMP(N-メチル-2-ピロリドン(N-methyl-2-pyrrolidone))などの有機溶媒を含んでもよく、前記正極活物質、バインダー、および導電材などを含んだ際に好適な粘度となる量で用いられることができる。例えば、正極活物質、バインダー、および導電材を含む正極スラリー中の固形分の濃度が40重量%~90重量%、好ましくは50重量%~80重量%となるように含まれてもよい。 The solvent for the positive electrode slurry may also include an organic solvent such as NMP (N-methyl-2-pyrrolidone), and may be used in an amount that provides a suitable viscosity when the positive electrode active material, binder, conductive material, etc. are included. For example, the positive electrode slurry containing the positive electrode active material, binder, and conductive material may be included so that the solids concentration is 40% to 90% by weight, preferably 50% to 80% by weight.
(2)負極
本発明に係る負極は負極活物質を含み、負極活物質、バインダー、導電材、および溶媒などを含む負極スラリーを負極集電体上にコーティングした後、乾燥および圧延することで製造することができる。
(2) Negative Electrode The negative electrode according to the present invention includes a negative electrode active material, and can be manufactured by coating a negative electrode slurry containing the negative electrode active material, a binder, a conductive material, a solvent, etc., on a negative electrode current collector, followed by drying and rolling.
前記負極集電体は、一般に、3μm~500μmの厚さを有する。かかる負極集電体は、該電池に化学的変化を引き起こすことなく、且つ高い導電性を有するものであれば特に制限されず、例えば、銅;ステンレス鋼;アルミニウム;ニッケル;チタン;焼成炭素;銅またはステンレス鋼の表面に、カーボン、ニッケル、チタン、銀などで表面処理を施したもの;またはアルミニウム-カドミウム合金などが用いられてもよい。また、正極集電体と同様に、表面に微細な凹凸を形成することで負極活物質の結合力を強化させてもよく、フィルム、シート、箔、網、多孔質体、発泡体、不織布体などの様々な形態で用いられてもよい。 The negative electrode current collector generally has a thickness of 3 μm to 500 μm. There are no particular restrictions on the negative electrode current collector, so long as it does not cause chemical changes in the battery and has high conductivity. Examples of materials that may be used include copper; stainless steel; aluminum; nickel; titanium; sintered carbon; copper or stainless steel surfaces treated with carbon, nickel, titanium, silver, or the like; and aluminum-cadmium alloys. As with the positive electrode current collector, the surface may be made finely uneven to strengthen the bonding strength of the negative electrode active material, and the negative electrode current collector may be used in various forms, such as a film, sheet, foil, mesh, porous material, foam, or nonwoven fabric.
また、前記負極活物質は、リチウムイオンを可逆的にインターカレーション/デインターカレーション可能な炭素物質;金属またはこれらの金属とリチウムの合金;金属複合酸化物;リチウムをドープおよび脱ドープすることができる物質;リチウム金属;および遷移金属酸化物から選択される1つ以上を含んでもよい。 The negative electrode active material may also include one or more selected from the group consisting of carbonaceous materials capable of reversibly intercalating/deintercalating lithium ions; metals or alloys of these metals with lithium; metal composite oxides; materials capable of doping and dedoping lithium; lithium metal; and transition metal oxides.
前記リチウムイオンを可逆的にインターカレーション/デインターカレーション可能な炭素物質としては、リチウムイオン二次電池で一般に用いられる炭素系負極活物質であれば特に制限されずに使用可能であり、その代表例としては、結晶質炭素、非晶質炭素、またはこれらをともに用いてもよい。前記結晶質炭素の例としては、無定形、板状、鱗片状(flake)、球状、または繊維状の天然黒鉛または人造黒鉛などのような黒鉛が挙げられ、前記非晶質炭素の例としては、ソフトカーボン(soft carbon:低温焼成炭素)、ハードカーボン(hard carbon)、メソフェーズピッチ炭化物、焼成されたコークスなどが挙げられる。 The carbonaceous material capable of reversibly intercalating/deintercalating lithium ions can be any carbonaceous negative electrode active material commonly used in lithium ion secondary batteries, without any particular limitations. Representative examples include crystalline carbon, amorphous carbon, or a combination of these. Examples of crystalline carbon include graphite, such as amorphous, plate-like, flake-like, spherical, or fibrous natural or artificial graphite. Examples of amorphous carbon include soft carbon (low-temperature calcined carbon), hard carbon, mesophase pitch carbide, and calcined coke.
前記金属またはこれらの金属とリチウムの合金としては、Cu、Ni、Na、K、Rb、Cs、Fr、Be、Mg、Ca、Sr、Si、Sb、Pb、In、Zn、Ba、Ra、Ge、Al、およびSnからなる群から選択される金属またはこれらの金属とリチウムの合金が使用できる。 The metals or alloys of these metals with lithium can be selected from the group consisting of Cu, Ni, Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Si, Sb, Pb, In, Zn, Ba, Ra, Ge, Al, and Sn, or alloys of these metals with lithium.
前記金属複合酸化物としては、PbO、PbO2、Pb2O3、Pb3O4、Sb2O3、Sb2O4、Sb2O5、GeO、GeO2、Bi2O3、Bi2O4、Bi2O5、LixFe2O3(0≦x≦1)、LixWO2(0≦x≦1)、およびSnxMe1-xMe’yOz(Me:Mn、Fe、Pb、Ge;Me’:Al、B、P、Si、周期律表の1族、2族、3族の元素、ハロゲン;0<x≦1;1≦y≦3;1≦z≦8)からなる群から選択される1種以上が使用できる。 The metal composite oxide may be one or more selected from the group consisting of PbO, PbO2 , Pb2O3 , Pb3O4 , Sb2O3 , Sb2O4 , Sb2O5 , GeO , GeO2 , Bi2O3 , Bi2O4 , Bi2O5 , LixFe2O3 (0≦x≦1), LixWO2 (0≦x≦1), and SnxMe1-xMe'yOz ( Me : Mn , Fe , Pb , Ge; Me': Al, B, P , Si , elements of Groups 1, 2 and 3 of the periodic table, halogens; 0<x≦1;1≦y≦3; 1≦z≦8).
前記リチウムをドープおよび脱ドープすることができる物質としては、Si、SiOx(0<x<2)、Si-Y合金(前記Yは、アルカリ金属、アルカリ土類金属、13族元素、14族元素、遷移金属、希土類元素、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される元素であり、Siではない)、Sn、SnO2、Sn-Y(前記Yは、アルカリ金属、アルカリ土類金属、13族元素、14族元素、遷移金属、希土類元素、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される元素であり、Snではない)などが挙げられ、また、これらの少なくとも1つとSiO2を混合して用いてもよい。前記元素Yは、Mg、Ca、Sr、Ba、Ra、Sc、Y、Ti、Zr、Hf、Rf、V、Nb、Ta、Db(ドブニウム(dubnium))、Cr、Mo、W、Sg、Tc、Re、Bh、Fe、Pb、Ru、Os、Hs、Rh、Ir、Pd、Pt、Cu、Ag、Au、Zn、Cd、B、Al、Ga、Sn、In、Ge、P、As、Sb、Bi、S、Se、Te、Po、およびこれらの組み合わせからなる群から選択されてもよい。 Examples of the substance capable of doping and dedoping lithium include Si, SiO x (0<x<2), Si-Y alloy (where Y is an element selected from the group consisting of alkali metals, alkaline earth metals, Group 13 elements, Group 14 elements, transition metals, rare earth elements, and combinations thereof, and is not Si), Sn, SnO 2 , Sn-Y (where Y is an element selected from the group consisting of alkali metals, alkaline earth metals, Group 13 elements, Group 14 elements, transition metals, rare earth elements, and combinations thereof, and is not Sn), and at least one of these may be mixed with SiO 2 for use. The element Y may be selected from the group consisting of Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db (dubnium), Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po, and combinations thereof.
前記遷移金属酸化物の例としては、リチウム含有チタン複合酸化物(LTO)、バナジウム酸化物、リチウムバナジウム酸化物などが挙げられる。 Examples of the transition metal oxide include lithium-containing titanium oxide (LTO), vanadium oxide, and lithium vanadium oxide.
前記負極活物質は、負極スラリー中の固形分の全重量を基準として、80重量%~99重量%で含まれてもよい。 The negative electrode active material may be contained in an amount of 80% to 99% by weight based on the total weight of solids in the negative electrode slurry.
前記バインダーは、導電材、活物質、および集電体の間の結合を補助する成分であって、通常、負極スラリー中の固形分の全重量を基準として、1重量%~30重量%の含量で添加されてもよい。このようなバインダーの例としては、ポリビニリデンフルオライド、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース(CMC)、澱粉、ヒドロキシプロピルセルロース、再生セルロース、ポリビニルピロリドン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン-プロピレン-ジエンモノマー、スルホン化エチレン-プロピレン-ジエンモノマー、スチレン-ブタジエンゴム、フッ素ゴム、またはこれらの種々の共重合体などが挙げられる。 The binder is a component that aids in bonding between the conductive material, active material, and current collector, and is typically added in an amount of 1 to 30% by weight based on the total weight of solids in the negative electrode slurry. Examples of such binders include polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose (CMC), starch, hydroxypropyl cellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, polytetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene monomer, sulfonated ethylene-propylene-diene monomer, styrene-butadiene rubber, fluororubber, and various copolymers thereof.
前記導電材は、負極活物質の導電性をさらに向上させるための成分であって、負極スラリー中の固形分の全重量を基準として、0.5重量%~20重量%で添加されてもよい。このような導電材としては、該電池に化学的変化を引き起こすことなく、且つ導電性を有するものであれば特に制限されず、例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、またはサーマルブラックなどのカーボンブラック;結晶構造が非常に発達した天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンナノチューブまたはグラファイトなどの黒鉛粉末;炭素繊維または金属繊維などの導電性繊維;フッ化カーボン粉末、アルミニウム粉末またはニッケル粉末などの導電性粉末;酸化亜鉛またはチタン酸カリウムなどの導電性ウィスカー;酸化チタンなどの導電性金属酸化物;またはポリフェニレン誘導体などの導電性素材などが用いられてもよい。 The conductive material is a component for further improving the conductivity of the negative electrode active material and may be added in an amount of 0.5% to 20% by weight based on the total weight of the solids in the negative electrode slurry. There are no particular restrictions on the conductive material, so long as it does not cause chemical changes in the battery and is conductive. Examples of such conductive materials include carbon black such as acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, or thermal black; graphite powder such as natural graphite with a highly developed crystalline structure, artificial graphite, carbon nanotubes, or graphite; conductive fibers such as carbon fiber or metal fiber; conductive powders such as carbon fluoride powder, aluminum powder, or nickel powder; conductive whiskers such as zinc oxide or potassium titanate; conductive metal oxides such as titanium oxide; or conductive materials such as polyphenylene derivatives.
前記負極スラリーの溶媒は、水;またはNMPおよびアルコールなどの有機溶媒を含んでもよく、前記負極活物質、バインダー、および導電材などを含んだ際に好適な粘度となる量で用いられてもよい。例えば、負極活物質、バインダー、および導電材を含むスラリー中の固形分の濃度が30重量%~80重量%、好ましくは40重量%~70重量%となるように含まれてもよい。 The solvent for the negative electrode slurry may include water or an organic solvent such as NMP or alcohol, and may be used in an amount that results in an appropriate viscosity when the negative electrode active material, binder, conductive material, etc. are contained. For example, the solvent may be contained so that the solids concentration in the slurry containing the negative electrode active material, binder, and conductive material is 30% to 80% by weight, preferably 40% to 70% by weight.
(3)セパレータ
本発明に係るリチウム二次電池は、前記正極と負極との間にセパレータを含む。
(3) Separator The lithium secondary battery according to the present invention includes a separator between the positive electrode and the negative electrode.
前記セパレータは、負極と正極を分離し、リチウムイオンの移動通路を提供するものであって、リチウム二次電池でセパレータとして通常用いられるものであれば特に制限されずに使用可能であり、特に、電解液のイオンの移動に対して低抵抗であり、且つ優れた電解液含浸能力および安全性を有するものが好ましい。 The separator separates the negative electrode and positive electrode and provides a path for lithium ions to move. Any separator commonly used in lithium secondary batteries can be used without any particular restrictions. In particular, separators that offer low resistance to the movement of ions in the electrolyte, excellent electrolyte impregnation ability, and safety are preferred.
具体的には、セパレータとして、多孔性高分子フィルム、例えば、エチレン単独重合体、プロピレン単独重合体、エチレン/ブテン共重合体、エチレン/ヘキセン共重合体、およびエチレン/メタクリレート共重合体などのようなポリオレフィン系高分子で製造した多孔性高分子フィルム;またはこれらの2層以上の積層構造体が使用可能である。また、通常の多孔性不織布、例えば、高融点のガラス繊維、ポリエチレンテレフタレート繊維などからなる不織布が用いられてもよい。また、耐熱性または機械的強度を確保するために、セラミック成分または高分子物質が含まれた、コーティングされたセパレータが用いられてもよく、単層または多層構造として用いられてもよい。 Specifically, the separator may be a porous polymer film, such as a porous polymer film made of a polyolefin polymer such as an ethylene homopolymer, a propylene homopolymer, an ethylene/butene copolymer, an ethylene/hexene copolymer, or an ethylene/methacrylate copolymer; or a laminate structure of two or more layers of these. Ordinary porous nonwoven fabrics, such as nonwoven fabrics made of high-melting-point glass fibers or polyethylene terephthalate fibers, may also be used. Furthermore, to ensure heat resistance or mechanical strength, a coated separator containing a ceramic component or a polymeric substance may also be used, and may be used in a single-layer or multi-layer structure.
上記のような本発明に係るリチウム二次電池は、携帯電話、ノート型パソコン、デジタルカメラなどの携帯用機器;およびハイブリッド電気自動車(hybrid electric vehicle、HEV)などの電気自動車分野などに有用に用いられることができる。 The lithium secondary battery according to the present invention as described above can be useful in portable devices such as mobile phones, laptop computers, and digital cameras, as well as in electric vehicles such as hybrid electric vehicles (HEVs).
これにより、本発明の他の実施形態によると、前記リチウム二次電池を単位セルとして含む電池モジュール、およびそれを含む電池パックが提供される。 Accordingly, according to another embodiment of the present invention, a battery module including the lithium secondary battery as a unit cell and a battery pack including the same are provided.
前記電池モジュールまたは電池パックは、パワーツール(Power Tool);電気自動車(Electric Vehicle、EV)、ハイブリッド電気自動車、およびプラグインハイブリッド電気自動車(Plug-in Hybrid Electric Vehicle、PHEV)を含む電気車;および電力貯蔵用システムの何れか1つ以上の中大型デバイスの電源として利用されることができる。 The battery module or battery pack can be used as a power source for one or more medium- to large-sized devices, including power tools; electric vehicles, including electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles, and plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs); and power storage systems.
本発明のリチウム二次電池の外形は特に制限されないが、缶を用いた円筒形、角形、パウチ(pouch)形、またはコイン(coin)形などであってもよい。 The external shape of the lithium secondary battery of the present invention is not particularly limited, but may be a cylindrical shape using a can, a rectangular shape, a pouch shape, a coin shape, or the like.
本発明に係るリチウム二次電池は、小型デバイスの電源として用いられる電池セルに使用可能であるだけでなく、多数の電池セルを含む中大型電池モジュールにおける単位電池としても好適に使用可能である。 The lithium secondary battery of the present invention can be used not only as a battery cell used as a power source for small devices, but also as a unit battery in medium- to large-sized battery modules containing multiple battery cells.
以下、具体的な実施例により本発明を具体的に説明する。 The present invention will be explained in more detail below using specific examples.
<実施例>
実施例1.
(非水電解液の製造)
エチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)を30:70の体積比で混合した後、LiPF6が1.0Mとなるように溶解させ、非水性有機溶液を製造した。前記化学式1Aで表される化合物(Cas No.119827-21-3)0.5wt%、ビニレンカーボネート(VC)0.5wt%、1,3-プロパンスルトン(PS)0.5wt%、および残部の前記非水性有機溶液を混合し、非水電解液100wt%を製造した。
<Example>
Example 1.
(Production of non-aqueous electrolyte)
Ethylene carbonate (EC) and ethyl methyl carbonate (EMC) were mixed in a volume ratio of 30:70, and LiPF6 was dissolved therein to prepare a non-aqueous organic solution to a concentration of 1.0 M. 0.5 wt % of the compound represented by Formula 1A (Cas No. 119827-21-3), 0.5 wt % of vinylene carbonate (VC), 0.5 wt % of 1,3-propane sultone (PS), and the remainder of the non-aqueous organic solution were mixed together to prepare a 100 wt % non-aqueous electrolyte.
(リチウム二次電池の製造)
正極活物質(LiNi0.85Co0.05Mn0.07Al0.03O2)と導電材(カーボンナノチューブ)とバインダー(ポリビニリデンフルオライド)を98.0:0.7:1.3の重量比で溶剤のN-メチル-2-ピロリドン(NMP)に添加し、正極合剤スラリー(固形分76.5重量%)を製造した。前記正極合剤スラリーを厚さ12μmの正極集電体(Al薄膜)の一面に塗布し、乾燥およびロールプレス(roll press)を行って正極を製造した。
(Manufacturing of lithium secondary batteries)
A cathode active material ( LiNi0.85Co0.05Mn0.07Al0.03O2 ) , a conductive material (carbon nanotubes ), and a binder (polyvinylidene fluoride) were mixed in a weight ratio of 98.0:0.7:1.3 to a solvent , N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), to prepare a cathode mixture slurry (solid content 76.5 wt%). The cathode mixture slurry was applied to one side of a 12 μm-thick cathode current collector (Al thin film), dried, and roll-pressed to prepare a cathode.
負極活物質(人造黒鉛)と導電材(カーボンブラック)とバインダー(スチレン-ブタジエンゴム)を96.5:1.5:2.0の重量比で溶剤の蒸留水に添加し、負極合剤スラリー(固形分50重量%)を製造した。前記負極合剤スラリーを厚さ8μmの負極集電体(Cu薄膜)の一面に塗布し、乾燥およびロールプレス(roll press)を行って負極を製造した。 Anode active material (artificial graphite), conductive material (carbon black), and binder (styrene-butadiene rubber) were added to distilled water as a solvent in a weight ratio of 96.5:1.5:2.0 to prepare anode mixture slurry (solid content 50% by weight). The anode mixture slurry was applied to one side of an 8 μm-thick anode current collector (Cu thin film), dried, and roll-pressed to prepare anodes.
ドライルームで、上記で製造された正極と負極との間にポリエチレン多孔性フィルムセパレータを介在した後、上記で製造された非水電解質を注液して二次電池を製造した。 In a dry room, a polyethylene porous film separator was placed between the positive electrode and negative electrode prepared above, and the non-aqueous electrolyte prepared above was then injected to produce a secondary battery.
実施例2.
非水電解液の製造時に、前記化学式1Aで表される化合物に代えて、前記化学式1B(Cas No.71387-23-0)で表される化合物を使用したことを除き、前記実施例1と同様の方法によりリチウム二次電池を製造した。
Example 2.
A lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the compound represented by Chemical Formula 1B (Cas No. 71387-23-0) was used instead of the compound represented by Chemical Formula 1A when preparing the non-aqueous electrolyte.
実施例3.
非水電解液の製造時に、VCおよびPSを添加しなかったことを除き、前記実施例1と同様の方法によりリチウム二次電池を製造した。
Example 3.
A lithium secondary battery was produced in the same manner as in Example 1, except that VC and PS were not added during the production of the non-aqueous electrolyte solution.
実施例4.
正極の製造時に、正極活物質としてLiNi0.85Co0.05Mn0.07Al0.03O2に代えてLiCoO2を使用したことを除き、前記実施例1と同様の方法によりリチウム二次電池を製造した。
Example 4.
A lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that LiCoO 2 was used as the positive electrode active material instead of LiNi 0.85 Co 0.05 Mn 0.07 Al 0.03 O 2 during the manufacture of the positive electrode.
実施例5
非水電解液の製造時に、化学式1Aで表される化合物(Cas No.119827-21-3)に代えて、前記化学式2Aで表される化合物を使用したことを除き、実施例1と同様の方法により非水電解液およびリチウム二次電池を製造した。
Example 5
A nonaqueous electrolyte solution and a lithium secondary battery were manufactured in the same manner as in Example 1, except that the compound represented by Chemical Formula 2A was used instead of the compound represented by Chemical Formula 1A (Cas No. 119827-21-3) when manufacturing the nonaqueous electrolyte solution.
実施例6
非水電解液の製造時に、化学式1Bで表される化合物(Cas No.71387-23-0)に代えて、前記化学式2Bで表される化合物を使用したことを除き、実施例2と同様の方法により非水電解液およびリチウム二次電池を製造した。
Example 6
A nonaqueous electrolyte solution and a lithium secondary battery were manufactured in the same manner as in Example 2, except that the compound represented by Chemical Formula 2B was used instead of the compound represented by Chemical Formula 1B (Cas No. 71387-23-0) when manufacturing the nonaqueous electrolyte solution.
比較例1.
非水電解液の製造時に、前記化学式1Aで表される化合物を添加しなかったことを除き、前記実施例1と同様の方法によりリチウム二次電池を製造した。
Comparative Example 1.
A lithium secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1, except that the compound represented by Formula 1A was not added during the preparation of the non-aqueous electrolyte.
比較例2.
非水電解液の製造時に、前記化学式1Aで表される化合物に代えて、クマリン(Coumarin)を使用したことを除き、前記実施例1と同様の方法によりリチウム二次電池を製造した。
Comparative Example 2.
A lithium secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1, except that coumarin was used instead of the compound represented by Formula 1A when preparing the non-aqueous electrolyte.
比較例3.
非水電解液の製造時に、VCおよびPSを添加しなかったことを除き、前記比較例2と同様の方法によりリチウム二次電池を製造した。
Comparative Example 3.
A lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Comparative Example 2, except that VC and PS were not added during the preparation of the non-aqueous electrolyte solution.
比較例4.
正極の製造時に、正極活物質としてLiNi0.85Co0.05Mn0.07Al0.03O2に代えてLiCoO2を使用したことを除き、前記比較例1と同様の方法によりリチウム二次電池を製造した。
Comparative Example 4.
A lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Comparative Example 1 , except that LiCoO2 was used instead of LiNi0.85Co0.05Mn0.07Al0.03O2 as the positive electrode active material during the manufacture of the positive electrode.
実験例1.高温寿命評価
前記実施例および比較例で製造されたリチウム二次電池のそれぞれに対して、25℃で0.2Cレート(rate)で活性化(formation)工程を実施した後、電池内のガスを脱気工程により除去した。ガスが除去されたリチウム二次電池に対して、45℃の温度で、0.33Cレート(rate)で4.2Vまで定電流/定電圧(CC/CV)充電および0.05C cut off充電を行い、0.33Cレート(rate)で2.5Vまで定電流(CC)放電を行った。
Experimental Example 1. High-Temperature Life Evaluation Each of the lithium secondary batteries fabricated in the Examples and Comparative Examples was subjected to an activation process at 25° C. and a 0.2 C rate, and then gas was removed from the battery by a degassing process. The degassed lithium secondary batteries were subjected to constant current/constant voltage (CC/CV) charging at 0.33 C rate to 4.2 V and 0.05 C cut-off charging at 45° C., and constant current (CC) discharging at 0.33 C rate to 2.5 V.
上記の充/放電をそれぞれ一回ずつ行うことを1サイクルとし、初期状態(1サイクル)での放電容量を測定した結果を下記表1に初期容量として記載した。同一の充/放電を200回繰り返した後に放電容量を測定し、前記初期容量に対する維持率を計算し、下記表1に容量維持率として記載した。 One cycle of each of the above charge/discharge cycles was considered to be one cycle, and the discharge capacity in the initial state (one cycle) was measured and the results are shown in Table 1 below as the initial capacity. After repeating the same charge/discharge cycle 200 times, the discharge capacity was measured and the retention rate relative to the initial capacity was calculated and shown in Table 1 below as the capacity retention rate.
実験例2.高温貯蔵評価
前記実施例および比較例で製造されたリチウム二次電池のそれぞれに対して、25℃で0.2Cレート(rate)で活性化(formation)工程を実施した後、電池内のガスを脱気工程により除去した。その後、常温(25℃)で、0.33Cレート(rate)で4.2Vまで定電流/定電圧条件での充電および0.05C cut off充電を行い、0.33Cで2.5Vに放電した。この時に測定された放電容量を下記表1に初期容量として記載した。
Experimental Example 2. High-Temperature Storage Evaluation Each of the lithium secondary batteries prepared in the Examples and Comparative Examples was subjected to an activation process at 25°C and a 0.2C rate, and then gas inside the battery was removed by a degassing process. Then, the batteries were charged at room temperature (25°C) at a 0.33C rate up to 4.2V under constant current/constant voltage conditions, followed by a 0.05C cut-off charge, and then discharged to 2.5V at 0.33C. The discharge capacity measured at this time is listed as the initial capacity in Table 1 below.
その後、リチウム二次電池を60℃で4週間保管した後、常温(25℃)の充放電器に移してから、0.33Cレート(rate)で4.2Vまで定電流/定電圧の条件での充電および0.05C cut off充電を行い、0.33Cで2.5Vに放電した。この時に測定された放電容量および初期容量に対する維持率を下記表1に記載した。 The lithium secondary battery was then stored at 60°C for four weeks, then transferred to a charger/discharger at room temperature (25°C) and charged at a 0.33C rate under constant current/constant voltage conditions up to 4.2V, followed by a 0.05C cut-off charge, and then discharged at 0.33C to 2.5V. The measured discharge capacity and retention rate relative to the initial capacity are shown in Table 1 below.
前記表1の結果から、本願の化学式1で表される化合物を含む電解液を用いて製造された実施例1、2、5、および6の電池が、化学式1で表される化合物を含まない電解液を用いて製造された比較例1の電池、および化学式1で表される化合物に代えてクマリンを含む電解液を用いて製造された比較例2に比べて、高温寿命特性および高温貯蔵特性の両方に優れていることが確認できる。 The results in Table 1 confirm that the batteries of Examples 1, 2, 5, and 6, which were manufactured using an electrolyte containing the compound represented by Chemical Formula 1 of the present application, were superior in both high-temperature life characteristics and high-temperature storage characteristics compared to the battery of Comparative Example 1, which was manufactured using an electrolyte not containing the compound represented by Chemical Formula 1, and the battery of Comparative Example 2, which was manufactured using an electrolyte containing coumarin instead of the compound represented by Chemical Formula 1.
VCおよびPSを含まない電解液を用いて製造された実施例3と比較例3の電池を比較しても、前記化学式1で表される化合物を含む実施例3の電池が、高温寿命特性および高温貯蔵特性により優れていることが分かる。 Comparing the batteries of Example 3 and Comparative Example 3, both of which were manufactured using electrolytes containing neither VC nor PS, it can be seen that the battery of Example 3, which contains the compound represented by Chemical Formula 1, has superior high-temperature life characteristics and high-temperature storage characteristics.
また、正極材をLCOに変更した場合にも、実施例4と比較例4の結果を比較することにより、電解液中に前記化学式1で表される化合物を含ませることで、高温寿命特性および高温貯蔵特性が改善可能であることが確認できる。 Furthermore, even when the positive electrode material is changed to LCO, by comparing the results of Example 4 and Comparative Example 4, it can be confirmed that by including the compound represented by Chemical Formula 1 in the electrolyte, it is possible to improve the high-temperature life characteristics and high-temperature storage characteristics.
Claims (10)
有機溶媒と、
下記化学式1で表される化合物と、
ビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート、1,3-プロパンスルトン、エチレンサルフェート、リチウムジフルオロオキサラトボレート、およびリチウムジフルオロホスフェートから選択される1種以上の添加剤と、を含む、リチウム二次電池用非水電解液:
R1は、炭素数1~10のアルキル基であり、
R2は、炭素数1~10のアルキレン基であり、
Lは、直接結合、-O-、-COO-、-RO-、または-R’COO-であり、
前記RおよびR’は、それぞれ独立して、炭素数1~10のアルキレン基であり、
mは、0~5の何れか1つの整数である。) A lithium salt,
an organic solvent;
A compound represented by the following chemical formula 1,
and one or more additives selected from vinylene carbonate, vinyl ethylene carbonate, 1,3-propane sultone, ethylene sulfate, lithium difluorooxalatoborate, and lithium difluorophosphate .
R1 is an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms,
R2 is an alkylene group having 1 to 10 carbon atoms,
L is a direct bond, —O—, —COO—, —RO—, or —R′COO—;
R and R' each independently represent an alkylene group having 1 to 10 carbon atoms,
m is an integer from 0 to 5.
R1、R2、L、およびmは、前記化学式1での定義のとおりである。) The compound represented by Chemical Formula 1 includes at least one compound selected from the group consisting of compounds represented by the following Chemical Formula 1-1 and compounds represented by the following Chemical Formula 2-1:
R1, R2, L, and m are as defined in Chemical Formula 1 above.
負極活物質を含む負極と、
前記正極と前記負極との間に介在されるセパレータと、
請求項1から7のいずれか一項に記載の非水電解液と、を含む、リチウム二次電池。 a positive electrode including a positive electrode active material;
a negative electrode including a negative electrode active material;
a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode;
A lithium secondary battery comprising the nonaqueous electrolyte solution according to claim 1 .
[化学式3]
Li1+x(NiaCobMncMd)O2
(前記化学式3中、
Mは、W、Cu、Fe、V、Cr、Ti、Zr、Zn、Al、In、Ta、Y、La、Sr、Ga、Sc、Gd、Sm、Ca、Ce、Nb、Mg、B、およびMoから選択される1種以上であり、
1+x、a、b、c、およびdは、それぞれLi、Ni、Co、Mn、およびMの原子分率であって、
0≦x≦0.2、0.50≦a<1、0<b≦0.25、0<c≦0.25、0≦d≦0.1、a+b+c+d=1である。) 9. The lithium secondary battery of claim 8 , wherein the positive electrode active material comprises a lithium composite transition metal oxide represented by the following Chemical Formula 3:
[Chemical formula 3]
Li 1+x ( Nia Co b Mn c M d ) O 2
(In the above chemical formula 3,
M is one or more selected from W, Cu, Fe, V, Cr, Ti, Zr, Zn, Al, In, Ta, Y, La, Sr, Ga, Sc, Gd, Sm, Ca, Ce, Nb, Mg, B, and Mo;
1+x, a, b, c, and d are the atomic fractions of Li, Ni, Co, Mn, and M, respectively;
0≦x≦0.2, 0.50≦a<1, 0<b≦0.25, 0<c≦0.25, 0≦d≦0.1, a+b+c+d=1.)
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